EP2881831A1 - Gleichspannungswandler und dessen Verwendung - Google Patents

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EP2881831A1
EP2881831A1 EP14195380.2A EP14195380A EP2881831A1 EP 2881831 A1 EP2881831 A1 EP 2881831A1 EP 14195380 A EP14195380 A EP 14195380A EP 2881831 A1 EP2881831 A1 EP 2881831A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
segment
output
switch
coil
converter
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14195380.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Omar Vit
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aumovio Microelectronic GmbH
Original Assignee
Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Conti Temic Microelectronic GmbH filed Critical Conti Temic Microelectronic GmbH
Publication of EP2881831A1 publication Critical patent/EP2881831A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/02—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
    • H02M3/04—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/10—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1582—Buck-boost converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/088—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0083—Converters characterised by their input or output configuration
    • H02M1/009—Converters characterised by their input or output configuration having two or more independently controlled outputs

Definitions

  • the invention relates to a DC-DC converter and its use.
  • DC-DC converters are understood to be electrical circuits which convert the DC voltages supplied to them on the input side into different DC voltages on the output side.
  • a DC-DC converter to an electrical coil for storing electrical energy which is connected by means of an electronic switch alternately with an input voltage generating DC voltage source and thereby charged and then connected to an output segment and thereby at least partially discharged via the output segment, so that at the output segment a different output voltage from the input voltage can be tapped.
  • the invention is based on the object to provide an improved DC-DC converter. Furthermore, the invention is based on the object to provide a suitable use of such a DC-DC converter.
  • the object is achieved with respect to the DC-DC converter by the features of claim 1 and with respect to the use of the DC-DC converter by the features of claim 5.
  • An inventive DC-DC converter comprises a coil, an electronic input switch to an input side connection of the coil with a connecting pole of a DC voltage source, at least two output segments each connectable via an electronic segment switch with the coil on the output side, in each case an output voltage can be tapped, and a control unit for the time-dependent activation of the input switch and the segment switch.
  • Such a DC-DC converter makes it possible to convert an input voltage supplied by the DC voltage source into a plurality of different output voltages using a single coil. This is made possible by different output segments, which are each connected via a segment switch with the coil. Thus, to produce multiple output voltages, only one coil is needed as an energy storage element that behaves as a (non-ideal) power source and, moreover, only circuits are needed. This increases the efficiency of the DC-DC converter over the use of multiple coils to produce one output voltage at a time, and concentrates edge emissions and losses onto a single coil. In addition, it advantageously reduces costs, since coils are more expensive compared to electronic switches, and the price of electronic switches according to Moore's Law is also expected to fall faster than the price of coils in the future.
  • An embodiment of the invention provides that the electronic input switch and / or at least one electronic segment switch have at least one field-effect transistor whose gate can be controlled via the control unit.
  • Field effect transistors are proven and available in various designs components of circuit technology and are therefore particularly suitable for the realization of the input switch and the segment switch.
  • a further embodiment of the invention provides that at least one output segment has a capacitor, via which the output voltage of the output segment can be tapped off. This advantageously enables suitable energy storage in output segments for generating the output voltages.
  • a further embodiment of the invention provides at least one earthing switch which can be controlled via the control unit for earthing the coil. This advantageously allows a controllable and controllable grounding of the coil.
  • a plurality of output voltages are generated from an input voltage generated by the DC voltage source, wherein the coil is connected via the input switch alternately during Einschaltzeitintervallen with the connection pole of the DC voltage source and disconnected during Abschaltzeitintervallen from the connection pole of the DC voltage source.
  • at least one switch-off time interval is divided into at least two switch-off time interval sections and each switch-off time interval section is assigned to an output segment.
  • the output segment associated with the shut-off time interval section is connected by means of the control unit via a segment switch to the coil which acts as a current source.
  • switch-off time intervals are in each case divided in circuit terms into a plurality of switch-off time interval sections, in which the coil current is conducted into an output segment in each case.
  • discharges of the coil are each split into a plurality of output segments to produce different output voltages. This advantageously makes it possible to use the coil for the simultaneous generation and control of different output voltages.
  • An embodiment of this use of the DC-DC converter envisages that at least one output segment is connected to the coil at least temporarily during at least one switch-on time interval by means of the control unit via a segment switch.
  • the coil current is thus at least temporarily conducted into an output segment not only during a Abschaltzeitintervall, but also during a Einschaltzeitintervall.
  • This advantageously enables the DC-DC converter at the same time in at least one output segment as a down-converter, for example for a high electrical load, and to use as an up-converter in at least one output segment.
  • setpoint values for segment energies of electrical energy to be output in each case via the output segments are preferably preset, and the segment energies output by the output segments are regulated to the setpoint values by actuation of the segment switches by means of the control unit.
  • the output voltages are regulated on the basis of segment energies of the individual output segments.
  • the output voltages are preferably regulated by means of the control unit by a pulse width modulated control of the segment switches with a maximum slope.
  • a coil current through the coil and / or at least one segment current in an output segment is preferably measured by means of a PTAT-compensated electrical voltage dropping across an on-resistance of the electronic input switch and / or an electronic segment switch.
  • Such a current measurement is advantageously particularly simple and precise, because in electronic switches such as metal-oxide-semiconductor field-effect transistors both the R DS (on) and its temperature dependence are well known. Therefore, measuring the voltage drop across the R DS (on) enables accurate current measurement when the temperature is also determined and taken into account.
  • the temperature is preferably determined by means of a so-called PTAT circuit, in which an electrical voltage is generated proportional to the absolute temperature.
  • At least one output voltage is preferably measured by a temperature-stabilized current sink to ground. This too is preferably realized by means of a PTAT circuit. This improves the stability of the control since it makes the transfer functions of the voltage feedbacks unitary, so that the modulator transfer function does not need to be selected too large.
  • FIG. 1 shows a basic structure of a DC-DC converter according to the invention 1.
  • the DC-DC converter 1 has in this embodiment, an input segment 3 and three output segments A1, A2, A3, wherein the input segment 3 is connected via a first electronic segment switch SW1 to a first output segment A1, via a second electronic segment switch SW2 to a second output segment A2, and via a third electronic segment switch SW3 to the third output segment A3.
  • the output segments A1, A2, A3 each have a capacitor C1, C2, C3, via which an output voltage U1, U2, U3 can be tapped off.
  • An inventive DC-DC converter 1 may also have fewer or more than three output segments A1, A2, A3 in alternative embodiments.
  • FIG. 2 schematically shows a circuit diagram of an embodiment of the in FIG. 1
  • the input segment 3 comprises a coil 5, an input switch SW0 to an input side connection of the coil 5 with a connection pole 9 of a DC voltage source, a first grounding switch 11 for input side grounding of the coil 5 and a second grounding switch 13 for output side grounding of the coil 5.
  • the DC-DC converter 1 further has a control unit 15 for the time-dependent activation of the input switch SW0, the segment switches SW1, SW2, SW3 and the earthing switches 11, 13.
  • the segment switches SW1, SW2, SW3 are each configured as two field-effect transistors connected in series, e.g. each as a MOSFET, wherein the gate of each of these field effect transistors is connected to the control unit 15 for driving the respective input switch SW0, grounding switch 11, 13 or segment switch SW1, SW2, SW3.
  • FIG. 3 shows switching states S0 to S3 of the input switch SW0 and the segment switches SW1, SW2, SW3 in response to a time t according to a first switching variant.
  • S0 denotes the switching state of the input switch SW0
  • S1 the switching state of the first segment switch SW1, S2 the switching state of the second segment switch SW2 and S3 the switching state of the third segment switch SW3.
  • the switching states S0 to S3 each change between an ON state in which the respective input switch SW0 or segment switch SW1, SW2, SW3 is switched on, ie current-conducting, and a cut-off state OFF in which the respective input switch SW0 or segment switch SW1, SW2, SW3 is switched off , ie is current blocking.
  • the input switch SW0 is turned on alternately during on-time intervals T on and off during off-time intervals T off .
  • the turn-off time intervals T off are respectively divided into three turn-off time interval sections T1, T2, T3 in which one of the segment switches SW1, SW2, SW3 is turned on and the other segment switches SW1, SW2, SW3 are turned off.
  • the first switch-off time interval sections T1 are assigned to the first output segment A1, the second switch-off time interval sections T2 to the second output segment A2 and the third switch-off time interval sections T3 to the third output segments A3.
  • the first segment switch SW1 is turned on during the first turn-off time interval T1, respectively, and turned off during the remaining time.
  • the second segment switch SW2 is turned on during the second turn-off interval sections T2, respectively, and turned off during the remaining time.
  • the third segment switch SW3 is turned on during each of the third shut-off time interval sections T3 and turned off during the remaining time.
  • FIG. 4 schematically shows a resulting coil current I0 through the coil 5.
  • the coil current I0 increases during each Einschaltzeitintervall T on and drops during each Abschaltzeitvalvall T off again.
  • FIG. 5 schematically shows the from the in FIG. 3 shown first switching variant resulting segment currents I1, I2, I3 in the output segments A1, A2, A3. Since the coil current I0 is conducted to the first output segment A1 only during the first switch-off time interval sections T1, the first output segment A1 results in a first segment current I1, which decreases during each first switch-off interval section T1 and otherwise disappears. Accordingly, in the second output segment A2, a second segment current I2 decreases and otherwise disappears during each second shut-off time interval portion T2, and in the third output segment A3 a third segment current I3 decreases, which decreases during each third shut-off time interval portion T3 and otherwise disappears.
  • FIGS. 6 to 8 show schematically each one of the in FIG. 3 illustrated first switching variant resulting output voltage U1, U2, U3.
  • the first output voltage U1 increases according to FIG. 6 during the first turn-off interval sections T1, respectively, and decreases during the rest of the time.
  • the second output voltage U2 increases according to FIG. 7 during the second turn-off interval sections T2, respectively, and off during the remainder of the time.
  • the third output voltage U3 increases according to FIG. 8 during the third turn-off interval sections T3, respectively, and decreases during the remaining time.
  • FIG. 9 shows analogously to FIG. 3 the switching states S0 to S3 according to a second switching variant.
  • the third segment switch SW3 is turned on not only during the third Abschaltzeitintervallabroughe T3, but also during the Einschaltzeitintervals T on and during the first Abschaltzeitintervallabroughe T1 and the second Abschaltzeitintervallabroughe T2 respectively off.
  • the DC-DC converter 1 in the third output segment A3 acts as a down-converter and in the first output segment A1 and in the second output segment A2 acts as an up-converter.
  • This switching variant can be advantageously used, for example, if the third output voltage U3 is applied to a high electrical load.
  • FIG. 10 shows analogously to FIG. 5 schematic from the in FIG. 9 shown second switching variant resulting segment currents I1, I2, I3 in the output segments A1, A2, A3.
  • the third segment current I3 in this case, during the Einschaltzeitintervalle T on is different from zero and steady, since the third segment switch is turned on SW3 during the Einschaltzeitintervalle T on, so that the coil current is passed in the third output segment A3 I0.
  • the switch-off time intervals T off nothing changes in principle compared to the in FIG. 5 shown courses of the segment currents I1, I2, I3.
  • FIG. 11 schematically shows the from the in FIG. 9 shown second switching variant resulting third output voltage U3.
  • the third output voltage U3 increases during the third turn-off time interval T3 and the turn-on time interval T on, respectively, and decreases during the first turn-off time interval T1 and the second turn-off time interval T2, respectively.
  • the switching states S0 to S3 are described in the above with reference to FIGS. 1 to 11 described in each case by means of the control unit 15.
  • the control is preferably carried out pulse width modulated on the basis of amounts of energy, the input voltage and the output voltages U1, U2, U3.
  • the segment switches SW1, SW2, SW3 setpoint values of the output from the output segments A1, A2, A3 Segment energies of electrical energy and the output voltages U1, U2, U3 given and the turn-off time intervals T off in response to the segment energies and the output voltages U1, U2, U3, which are output from the output segments A1, A2, A3 respectively, and the input energy in the Abschaltzeitintervallab bainitese T1, T2, T3 split.
  • the actual values of the segment energies output by the output segments A1, A2, A3 are determined by measuring the segment currents I1, I2, I3 and output voltages U1, U2, U3.
  • the segment currents I1, I2, I3 are preferably measured in each case via an electrical voltage which drops across an on-resistance of the associated segment switch SW1, SW2, SW3, which is usually denoted by R DS (on) .
  • the output voltages U1, U2, U3 are preferably measured in each case by a current sink to ground PTAT compensated.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler (1). Der Gleichspannungswandler (1) umfasst eine Spule (5), einen elektronischen Eingangsschalter (SW0) zu einer eingangsseitigen Verbindung der Spule (5) mit einem Verbindungspol (9) einer Gleichspannungsquelle, wenigstens zwei jeweils über einen elektronischen Segmentschalter (SW1, SW2, SW3) mit der Spule (5) ausgangsseitig verbindbare Ausgangssegmente (A1, A2, A3), an denen jeweils eine Ausgangsspannung (U1, U2, U3) abgreifbar ist, und eine Steuereinheit (15) zur zeitabhängigen Ansteuerung des Eingangsschalters (SW0) und der Segmentschalter (SW1, SW2, SW3). Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines derartigen Gleichspannungswandlers (1) zur Erzeugung mehrerer Ausgangsspannungen (U1, U2, U3) aus einer von der Gleichspannungsquelle erzeugten Eingangsspannung.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler und dessen Verwendung.
  • Unter Gleichspannungswandlern werden elektrische Schaltungen verstanden, die ihnen eingangsseitig zugeführte Gleichspannungen ausgangsseitig in davon verschiedene Gleichspannungen umwandeln. In der Regel weist ein Gleichspannungswandler eine elektrische Spule zur Speicherung elektrischer Energie auf, die mittels eines elektronischen Schalters abwechselnd mit einer eine Eingangsspannung erzeugenden Gleichspannungsquelle verbunden und dabei aufgeladen wird und anschließend mit einem Ausgangssegment verbunden und dabei über das Ausgangssegment zumindest teilweise entladen wird, so dass an dem Ausgangssegment eine von der Eingangsspannung verschiedene Ausgangsspannung abgegriffen werden kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Gleichspannungswandler anzugeben. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine geeignete Verwendung eines derartigen Gleichspannungswandlers anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Gleichspannungswandlers durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Verwendung des Gleichspannungswandlers durch die Merkmale des Anspruchs 5 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein erfindungsgemäßer Gleichspannungswandler umfasst eine Spule, einen elektronischen Eingangsschalter zu einer eingangsseitigen Verbindung der Spule mit einem Verbindungspol einer Gleichspannungsquelle, wenigstens zwei jeweils über einen elektronischen Segmentschalter mit der Spule ausgangsseitig verbindbare Ausgangssegmente, an denen jeweils eine Ausgangsspannung abgreifbar ist, und eine Steuereinheit zur zeitabhängigen Ansteuerung des Eingangsschalters und der Segmentschalter.
  • Ein derartiger Gleichspannungswandler ermöglicht es, eine von der Gleichspannungsquelle gelieferte Eingangsspannung unter Verwendung einer einzigen Spule in mehrere verschiedene Ausgangsspannungen umzuwandeln. Dies wird durch verschiedene Ausgangssegmente ermöglicht, die jeweils über einen Segmentschalter mit der Spule verbunden sind. Es werden also zur Erzeugung mehrerer Ausgangsspannungen nur eine Spule als ein Energiespeicherelement, das sich wie eine (nicht ideale) Stromquelle verhält, und darüber hinaus lediglich Schaltungen benötigt. Dies erhöht die Effizienz des Gleichspannungswandlers gegenüber der Verwendung mehrerer Spulen zur Erzeugung je einer Ausgangsspannung und konzentriert Randemissionen und Verluste auf eine einzige Spule. Darüber hinaus reduziert es vorteilhaft Kosten, da Spulen im Vergleich zu elektronischen Schaltern kostenintensiver sind und der Preis von elektronischen Schaltern gemäß dem so genannten Mooreschen Gesetz zudem in Zukunft voraussichtlich schneller als der Preis von Spulen fallen wird.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der elektronische Eingangsschalter und/oder wenigstens ein elektronischer Segmentschalter wenigstens einen Feldeffekttransistor aufweisen, dessen Gate über die Steuereinheit ansteuerbar ist. Feldeffekttransistoren sind bewährte und in verschiedenen Ausführungen verfügbare Bauelemente der Schaltungstechnik und eignen sich daher in besonderem Maße zur Realisierung des Eingangsschalters und der Segmentschalter.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein Ausgangssegment einen Kondensator aufweist, über den die Ausgangsspannung des Ausgangssegments abgreifbar ist. Dies ermöglicht vorteilhaft eine geeignete Energiespeicherung in Ausgangssegmenten zur Erzeugung der Ausgangsspannungen.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht wenigstens einen über die Steuereinheit ansteuerbaren Erdungsschalter zur Erdung der Spule vor. Dadurch wird vorteilhaft eine steuer- und regelbare Erdung der Spule ermöglicht.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Verwendung eines derartigen Gleichspannungswandlers werden mehrere Ausgangsspannungen aus einer von der Gleichspannungsquelle erzeugten Eingangsspannung erzeugt, wobei die Spule über den Eingangsschalter abwechselnd während Einschaltzeitintervallen mit dem Verbindungspol der Gleichspannungsquelle verbunden und während Abschaltzeitintervallen von dem Verbindungspol der Gleichspannungsquelle getrennt wird. Dabei wird wenigstens ein Abschaltzeitintervall in wenigstens zwei Abschaltzeitintervallabschnitte aufgeteilt und jeder Abschaltzeitintervallabschnitt wird einem Ausgangssegment zugeordnet. Während jedes Abschaltzeitintervallabschnitts wird das dem Abschaltzeitintervallabschnitt zugeordnete Ausgangssegment mittels der Steuereinheit über einen Segmentschalter mit der Spule verbunden, die als Stromquelle agiert.
  • Es werden also Abschaltzeitintervalle schaltungstechnisch jeweils in mehrere Abschaltzeitintervallabschnitte aufgeteilt, in denen der Spulenstrom in jeweils ein Ausgangssegment geleitet wird. Mit anderen Worten werden Entladungen der Spule jeweils auf mehrere Ausgangssegmente aufgeteilt, um verschiedene Ausgangsspannungen zu erzeugen. Dies ermöglicht es vorteilhaft, die Spule zur gleichzeitigen Erzeugung und Regelung verschiedener Ausgangsspannungen zu nutzen.
  • Eine Ausgestaltung dieser Verwendung des Gleichspannungswandlers sieht vor, dass mittels der Steuereinheit wenigstens ein Ausgangssegment über einen Segmentschalter wenigstens zeitweise während wenigstens eines Einschaltzeitintervalls mit der Spule verbunden wird. Der Spulenstrom wird dabei also nicht nur während eines Abschaltzeitintervalls, sondern auch während eines Einschaltzeitintervalls wenigstens zeitweise in ein Ausgangssegment geleitet. Dies ermöglicht es vorteilhaft, den Gleichspannungswandler gleichzeitig in wenigstens einem Ausgangssegment als Abwärtswandler, beispielsweise für eine hohe elektrische Last, und in wenigstens einem Ausgangssegment als Aufwärtswandler zu verwenden.
  • Vorzugsweise werden ferner Sollwerte für über die Ausgangssegmente jeweils auszugebende Segmentenergien elektrischer Energie vorgegeben und die von den Ausgangssegmenten jeweils ausgegebenen Segmentenergien werden durch Ansteuerung der Segmentschalter mittels der Steuereinheit auf die Sollwerte geregelt. Dadurch werden die Ausgangsspannungen auf der Basis von Segmentenergien der einzelnen Ausgangssegmente geregelt. Diese Regelung berücksichtigt vorteilhaft, dass bei der gleichzeitigen Erzeugung mehrerer Ausgangsspannungen keine "direkte" Korrelation zwischen Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen für eine einzelne Ausgangsspannung verfügbar ist, wohl aber eine Aufteilung der verfügbaren Eingangsenergie in Segmentenergien zur Regelung verwendet werden kann. Eine Regelung mittels eines mathematischen Modells einer Zustandsraumdarstellung ist ebenfalls möglich, erscheint hier aber aufgrund der Komplexität des Regelungsproblems praktisch schwer anwendbar.
  • Die Ausgangsspannungen werden vorzugsweise mittels der Steuereinheit durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Segmentschalter mit einer maximalen Steilheit geregelt. Dies ermöglicht vorteilhaft ein besonders schnelles Schalten und dadurch eine besonders verlustarme und stabile Regelung der Ausgangsspannungen, da durch das schnelle Schalten einerseits dynamische Schaltverluste reduziert werden und andererseits Phasenverschiebungen minimiert werden, so dass keine dominanten Pole von dem Modulator abstammend in der Transferfunktion erzeugt werden, die zu Instabilitäten führen könnten.
  • Zur Regelung der Ansteuerung der Segmentschalter wird vorzugsweise ein Spulenstrom durch die Spule und/oder wenigstens ein Segmentstrom in einem Ausgangssegment mittels einer an einem Einschaltwiderstand des elektronischen Eingangsschalters und/oder eines elektronischen Segmentschalters abfallenden elektrischen Spannung PTAT-kompensiert gemessen. Unter dem Einschaltwiderstand wird hier der üblicherweise mit RDS(on) bezeichnete Einschaltwiderstand eines elektronischen Schalters verstanden. Unter einer PTAT-kompensierten Strommessung (PTAT = Proportional To Absolute Temperature) über eine an dem Einschaltwiderstand abfallende Spannung wird hier eine Messung verstanden, die die Temperaturabhängigkeit des Einschaltwiderstands berücksichtigt. Eine derartige Strommessung ist vorteilhaft besonders einfach und präzise, denn bei elektronischen Schaltern wie Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren sind sowohl der RDS(on) als auch dessen Temperaturabhängigkeit gut bekannt. Daher ermöglicht die Messung des Spannungsabfalls am RDS(on) eine präzise Strommessung, wenn gleichzeitig auch die Temperatur ermittelt und berücksichtigt wird. Die Temperatur wird dabei vorzugsweise mittels eines so genannten PTAT-Schaltkreises ermittelt, in dem eine elektrische Spannung proportional zur absoluten Temperatur generiert wird.
  • Zur Regelung der Ansteuerung der Segmentschalter wird vorzugsweise wenigstens eine Ausgangsspannung durch eine temperaturstabilisierte Stromsenke gegen Masse gemessen. Auch dies wird vorzugsweise mittels einer PTAT-Schaltung realisiert. Dies verbessert die Stabilität der Regelung, da dadurch die Transferfunktionen der Spannungsfeedbacks unitär sind und so die Modulator-Transferfunktion nicht allzu groß gewählt werden muss.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Darin zeigen:
    • Figur 1
    einen prinzipiellen Aufbau eines Gleichspannungswandlers,
    Figur 2
    schematisch ein Schaltbild eines Gleichspannungswandlers,
    Figur 3
    Schaltzustände eines Eingangsschalters und dreier Segmentschalter in Abhängigkeit von einer Zeit gemäß einer ersten Schaltvariante,
    Figur 4
    schematisch einen zeitlichen Verlauf eines Spulenstroms,
    Figur 5
    schematisch zeitliche Verläufe dreier Segmentströme bei Verwendung der ersten Schaltvariante,
    Figur 6
    schematisch einen zeitlichen Verlauf einer ersten Ausgangsspannung bei Verwendung der ersten Schaltvariante,
    Figur 7
    schematisch einen zeitlichen Verlauf einer zweiten Ausgangsspannung bei Verwendung der ersten Schaltvariante,
    Figur 8
    schematisch einen zeitlichen Verlauf einer dritten Ausgangsspannung bei Verwendung der ersten Schaltvariante,
    Figur 9
    Schaltzustände eines Eingangsschalters und dreier Segmentschalter in Abhängigkeit von einer Zeit gemäß einer zweiten Schaltvariante,
    Figur 10
    schematisch zeitliche Verläufe dreier Segmentströme bei Verwendung der zweiten Schaltvariante, und
    Figur 11
    schematisch einen zeitlichen Verlauf einer dritten Ausgangsspannung bei Verwendung der zweiten Schaltvariante.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Figur 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers 1. Der Gleichspannungswandler 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein Eingangssegment 3 und drei Ausgangssegmente A1, A2, A3 auf, wobei das Eingangssegment 3 über einen ersten elektronischen Segmentschalter SW1 mit einem ersten Ausgangssegment A1, über einen zweiten elektronischen Segmentschalter SW2 mit einem zweiten Ausgangssegment A2 und über einen dritten elektronischen Segmentschalter SW3 mit dem dritten Ausgangssegment A3 verbunden ist. Die Ausgangssegmente A1, A2, A3 weisen jeweils einen Kondensator C1, C2, C3 auf, über den eine Ausgangsspannung U1, U2, U3 abgreifbar ist. Ein erfindungsgemäßer Gleichspannungswandler 1 kann in alternativen Ausführungsbeispielen auch weniger oder mehr als drei Ausgangssegmente A1, A2, A3 aufweisen.
  • Figur 2 zeigt schematisch ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des in Figur 1 prinzipiell dargestellten Gleichspannungswandlers 1. Das Eingangssegment 3 umfasst eine Spule 5, einen Eingangsschalter SW0 zu einer eingangsseitigen Verbindung der Spule 5 mit einem Verbindungspol 9 einer Gleichspannungsquelle, einen ersten Erdungsschalter 11 zur eingangsseitigen Erdung der Spule 5 und einen zweiten Erdungsschalter 13 zur ausgangsseitigen Erdung der Spule 5. Der Gleichspannungswandler 1 weist ferner eine Steuereinheit 15 zur zeitabhängigen Ansteuerung des Eingangsschalters SW0, der Segmentschalter SW1, SW2, SW3 und der Erdungsschalter 11, 13 auf.
  • Der Eingangsschalter SW0 und die Erdungsschalter 11, 13 sind dabei in diesem Ausführungsbeispiel jeweils als ein Feldeffekttransistor, z.B. als ein MOSFET ( = Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) ausgebildet, und die Segmentschalter SW1, SW2, SW3 sind jeweils als zwei in Reihe gespiegelt geschaltete Feldeffekttransistoren, z.B. jeweils als ein MOSFET, ausgebildet, wobei das Gate jedes dieser Feldeffekttransistoren mit der Steuereinheit 15 zur Ansteuerung des jeweiligen Eingangsschalters SW0, Erdungsschalters 11, 13 oder Segmentschalters SW1, SW2, SW3 verbunden ist.
  • Die erfindungsgemäße Verwendung des in den Figuren 1 und 2 dargestellten Gleichspannungswandlers 1 wird im Folgenden anhand der Figuren 3 bis 11 beschrieben.
  • Figur 3 zeigt Schaltzustände S0 bis S3 des Eingangsschalters SW0 und der Segmentschalter SW1, SW2, SW3 in Abhängigkeit von einer Zeit t gemäß einer ersten Schaltvariante. Dabei bezeichnen S0 den Schaltzustand des Eingangsschalters SW0, S1 den Schaltzustand des ersten Segmentschalters SW1, S2 den Schaltzustand des zweiten Segmentschalters SW2 und S3 den Schaltzustand des dritten Segmentschalters SW3. Die Schaltzustände S0 bis S3 wechseln jeweils zwischen einem Einschaltzustand ON, in dem der jeweilige Eingangsschalter SW0 oder Segmentschalter SW1, SW2, SW3 eingeschaltet, d.h. stromleitend ist, und einem Abschaltzustand OFF, in dem der jeweilige Eingangsschalter SW0 oder Segmentschalter SW1, SW2, SW3 abgeschaltet, d.h. stromsperrend ist.
  • Der Eingangsschalter SW0 wird abwechselnd während Einschaltzeitintervallen Ton eingeschaltet und während Abschaltzeitintervallen Toff abgeschaltet.
  • Die Abschaltzeitintervalle Toff werden jeweils in drei Abschaltzeitintervallabschnitte T1, T2, T3 aufgeteilt, in denen jeweils einer der Segmentschalter SW1, SW2, SW3 eingeschaltet wird und die anderen Segmentschalter SW1, SW2, SW3 abgeschaltet werden. Dabei werden jeweils die ersten Abschaltzeitintervallabschnitte T1 dem ersten Ausgangssegment A1, die zweiten Abschaltzeitintervallabschnitte T2 dem zweiten Ausgangssegment A2 und die dritten Abschaltzeitintervallabschnitte T3 dem dritten Ausgangssegmente A3 zugeordnet. Dementsprechend wird der erste Segmentschalter SW1 jeweils während der ersten Abschaltzeitintervallabschnitte T1 eingeschaltet und während der übrigen Zeit abgeschaltet. Der zweite Segmentschalter SW2 wird jeweils während der zweiten Abschaltzeitintervallabschnitte T2 eingeschaltet und während der übrigen Zeit abgeschaltet. Der dritte Segmentschalter SW3 wird jeweils während der dritten Abschaltzeitintervallabschnitte T3 eingeschaltet und während der übrigen Zeit abgeschaltet.
  • Figur 4 zeigt schematisch einen resultierenden Spulenstrom I0 durch die Spule 5. Der Spulenstrom I0 steigt während jedes Einschaltzeitintervalls Ton an und fällt während jedes Abschaltzeitintervalls Toff wieder ab.
  • Figur 5 zeigt schematisch die aus der in Figur 3 dargestellten ersten Schaltvariante resultierenden Segmentströme I1, I2, I3 in den Ausgangssegmenten A1, A2, A3. Da der Spulenstrom I0 nur während der ersten Abschaltzeitintervallabschnitte T1 zum ersten Ausgangssegment A1 geleitet wird, ergibt sich in dem ersten Ausgangssegment A1 ein erster Segmentstrom I1, der während jedes ersten Abschaltzeitintervallabschnitts T1 abnimmt und sonst verschwindet. Entsprechend ergibt sich in dem zweiten Ausgangssegment A2 ein zweiter Segmentstrom I2, der während jedes zweiten Abschaltzeitintervallabschnitts T2 abnimmt und sonst verschwindet, und in dem dritten Ausgangssegment A3 ergibt sich ein dritter Segmentstrom I3, der während jedes dritten Abschaltzeitintervallabschnitts T3 abnimmt und sonst verschwindet.
  • Die Figuren 6 bis 8 zeigen schematisch jeweils eine aus der in Figur 3 dargestellten ersten Schaltvariante resultierende Ausgangsspannung U1, U2, U3. Die erste Ausgangsspannung U1 steigt gemäß Figur 6 während der ersten Abschaltzeitintervallabschnitte T1 jeweils an und fällt während der übrigen Zeit ab. Die zweite Ausgangsspannung U2 steigt gemäß Figur 7 während der zweiten Abschaltzeitintervallabschnitte T2 jeweils an und fällt während der übrigen Zeit ab. Die dritte Ausgangsspannung U3 steigt gemäß Figur 8 während der dritten Abschaltzeitintervallabschnitte T3 jeweils an und fällt während der übrigen Zeit ab.
  • Figur 9 zeigt analog zu Figur 3 die Schaltzustände S0 bis S3 gemäß einer zweiten Schaltvariante. Im Unterschied zu der in Figur 3 dargestellten ersten Schaltvariante ist der dritte Segmentschalter SW3 nicht nur während der dritten Abschaltzeitintervallabschnitte T3, sondern auch während der Einschaltzeitintervalle Ton eingeschaltet und während der ersten Abschaltzeitintervallabschnitte T1 und der zweiten Abschaltzeitintervallabschnitte T2 jeweils abgeschaltet. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der Gleichspannungswandler 1 im dritten Ausgangssegment A3 als Abwärtswandler und im ersten Ausgangssegment A1 und im zweiten Ausgangssegment A2 jeweils als Aufwärtswandler wirkt. Diese Schaltvariante kann beispielsweise vorteilhaft verwendet werden, wenn die dritte Ausgangsspannung U3 an einer hohen elektrischen Last angelegt wird.
  • Figur 10 zeigt analog zu Figur 5 schematisch die aus der in Figur 9 dargestellten zweiten Schaltvariante resultierenden Segmentströme I1, I2, I3 in den Ausgangssegmenten A1, A2, A3. Im Unterschied zu Figur 5 ist der dritte Segmentstrom I3 in diesem Fall während der Einschaltzeitintervalle Ton von Null verschieden und ansteigend, da der dritte Segmentschalter SW3 während der Einschaltzeitintervalle Ton eingeschaltet ist, so dass der Spulenstrom I0 in das dritte Ausgangssegment A3 geleitet wird. Während der Abschaltzeitintervalle Toff ändert sich prinzipiell nichts gegenüber den in Figur 5 dargestellten Verläufen der Segmentströme I1, I2, I3.
  • Figur 11 zeigt schematisch die aus der in Figur 9 dargestellten zweiten Schaltvariante resultierende dritte Ausgangsspannung U3. Die dritte Ausgangsspannung U3 steigt während der dritten Abschaltzeitintervallabschnitte T3 und der Einschaltzeitintervalle Ton jeweils an und fällt während der ersten Abschaltzeitintervallabschnitte T1 und der zweiten Abschaltzeitintervallabschnitte T2 jeweils ab.
  • Die aus der in Figur 9 dargestellten zweiten Schaltvariante resultierenden Verläufe der ersten Ausgangsspannung U1 und der zweiten Ausgangsspannung U2 ändern sich prinzipiell nicht gegenüber den in den Figuren 6 und 7 dargestellten Verläufen.
  • Die Schaltzustände S0 bis S3 werden in den oben anhand der Figuren 1 bis 11 beschriebenen Ausführungsbeispiele jeweils mittels der Steuereinheit 15 geregelt. Die Regelung erfolgt dabei vorzugsweise pulsweitenmoduliert auf der Basis von Energiemengen, der Eingangsspannung und den Ausgangsspannungen U1, U2, U3. Dazu werden zur Regelung der Schaltzustände S1 bis S3 der Segmentschalter SW1, SW2, SW3 Sollwerte der von den Ausgangssegmenten A1, A2, A3 auszugebenden Segmentenergien elektrischer Energie und der Ausgangsspannungen U1, U2, U3 vorgegeben und die Abschaltzeitintervalle Toff in Abhängigkeit von den Segmentenergien und den Ausgangsspannungen U1, U2, U3, die von den Ausgangssegmenten A1, A2, A3 jeweils ausgegeben werden, und der Eingangsenergie in die Abschaltzeitintervallabschnitte T1, T2, T3 aufgeteilt. Die Istwerte der von den Ausgangssegmenten A1, A2, A3 ausgegebenen Segmentenergien werden durch Messung der Segmentströme I1, I2, I3 und Ausgangsspannungen U1, U2, U3 ermittelt. Die Segmentströme I1, I2, I3 werden dabei vorzugsweise jeweils über eine elektrische Spannung gemessen, die an einem üblicherweise mit RDS(on) bezeichneten Einschaltwiderstand des zugehörigen Segmentschalters SW1, SW2, SW3 abfällt. Die Ausgangsspannungen U1, U2, U3 werden vorzugsweise jeweils durch eine Stromsenke gegen Masse PTAT-kompensiert gemessen.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 1
    Gleichspannungswandler
    3
    Eingangssegment
    5
    Spule
    9
    Verbindungspol
    11, 13
    Erdungsschalter
    15
    Steuereinheit
    A1, A2, A3
    Ausgangssegment
    C1, C2, C3
    Kondensator
    I0
    Spulenstrom
    I1, I2, I3
    Segmentstrom
    OFF
    Abschaltzustand
    ON
    Einschaltzustand
    S0 bis S3
    Schaltzustand
    SW0
    Eingangsschalter
    SW1, SW2, SW3
    Segmentschalter
    t
    Zeit
    Toff
    Abschaltzeitintervall
    Ton
    Einschaltzeitintervall
    T1, T2, T3
    Abschaltzeitintervallabschnitt
    U1, U2, U3
    Ausgangsspannung

Claims (10)

  1. Gleichspannungswandler (1), umfassend
    - eine Spule (5),
    - einen elektronischen Eingangsschalter (SW0) zu einer eingangsseitigen Verbindung der Spule (5) mit einem Verbindungspol (9) einer Gleichspannungsquelle,
    - wenigstens zwei jeweils über einen elektronischen Segmentschalter (SW1, SW2, SW3) mit der Spule (5) ausgangsseitig verbindbare Ausgangssegmente (A1, A2, A3), an denen jeweils eine Ausgangsspannung (U1, U2, U3) abgreifbar ist,
    - und eine Steuereinheit (15) zur zeitabhängigen Ansteuerung des Eingangsschalters (SW0) und der Segmentschalter (SW1, SW2, SW3).
  2. Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Eingangsschalter (SW0) und/oder wenigstens ein elektronischer Segmentschalter (SW1, SW2, SW3) wenigstens einen Feldeffekttransistor aufweisen, dessen Gate über die Steuereinheit (15) ansteuerbar ist.
  3. Gleichspannungswandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Ausgangssegment (A1, A2, A3) einen Kondensator (C1, C2, C3) aufweist, über den die Ausgangsspannung (U1, U2, U3) des Ausgangssegments (A1, A2, A3) abgreifbar ist.
  4. Gleichspannungswandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen über die Steuereinheit (15) ansteuerbaren Erdungsschalter (11, 13) zur Erdung der Spule (5).
  5. Verwendung eines Gleichspannungswandlers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erzeugung mehrerer Ausgangsspannungen (U1, U2, U3) aus einer von der Gleichspannungsquelle erzeugten Eingangsspannung, wobei
    - die Spule (5) über den Eingangsschalter (SW0) abwechselnd während Einschaltzeitintervallen (Ton) mit dem Verbindungspol (9) der Gleichspannungsquelle verbunden wird und während Abschaltzeitintervallen (Toff) von dem Verbindungspol (9) der Gleichspannungsquelle getrennt wird,
    - wenigstens ein Abschaltzeitintervall (Toff) in wenigstens zwei Abschaltzeitintervallabschnitte (T1, T2, T3) aufgeteilt wird und jeder Abschaltzeitintervallabschnitt (T1, T2, T3) einem Ausgangssegment (A1, A2, A3) zugeordnet wird,
    - und während jedes Abschaltzeitintervallabschnitts (T1, T2, T3) das dem Abschaltzeitintervallabschnitt (T1, T2, T3) zugeordnete Ausgangssegment (A1, A2, A3) mittels der Steuereinheit (15) über einen Segmentschalter (SW1, SW2, SW3) mit der Spule (5) verbunden wird.
  6. Verwendung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinheit (15) wenigstens ein Ausgangssegment (A1, A2, A3) über einen Segmentschalter (SW1, SW2, SW3) wenigstens zeitweise während wenigstens eines Einschaltzeitintervalls (Ton) mit der Spule (5) verbunden wird.
  7. Verwendung nach Anspruch 5 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass Sollwerte für über die Ausgangssegmente (A1, A2, A3) jeweils auszugebende Segmentenergien elektrischer Energie und Ausgangsspannungen (U1, U2, U3) vorgegeben werden und die von den Ausgangssegmenten (A1, A2, A3) jeweils ausgegebenen Segmentenergien durch Ansteuerung der Segmentschalter (SW1, SW2, SW3) mittels der Steuereinheit (15) auf die Sollwerte geregelt werden.
  8. Verwendung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannungen (U1, U2, U3) mittels der Steuereinheit (15) durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Segmentschalter (SW1, SW2, SW3) geregelt werden.
  9. Verwendung nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Ansteuerung der Segmentschalter (SW1, SW2, SW3) ein Spulenstrom (I0) durch die Spule (5) und/oder wenigstens ein Segmentstrom (I1, I2, I3) in einem Ausgangssegment (A1, A2, A3) mittels einer an einem Einschaltwiderstand des elektronischen Eingangsschalters (SW0) und/oder eines elektronischen Segmentschalters (SW1, SW2, SW3) abfallenden elektrischen Spannung PTAT-kompensiert gemessen wird.
  10. Verwendung nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Ansteuerung der Segmentschalter (SW1, SW2, SW3) wenigstens eine Ausgangsspannung (U1, U2, U3) durch eine Stromsenke PTAT-kompensiert gegen Masse gemessen wird.
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